La qualité de la puissance injectée au réseau électrique est une problématique importante pour le développement des énergies marines renouvelables, et en particulier de l'énergie des vagues, ou énergie houlomotrice. En effet la puissance produite par les systèmes houlomoteurs à entrainement direct est très fluctuante (fluctuations de l'ordre de la seconde) à cause de la nature oscillante de la ressource. Afin d'étudier l'impact de l'intégration des ces systèmes sur les réseaux électriques, un modèle permettant de représenter la chaîne depuis la vague jusqu'au réseau électrique a été développé. Les simulations effectuées à l'aide de ce modèle pour différents types de réseau électrique et différents états de mer ont montré que la mise en place de solutions pour améliorer la qualité de la puissance produite était nécessaire. Ainsi l'effet du regroupement et de la dispersion spatiale des systèmes houlomoteurs sur la qualité de la puissance a été étudiée. L'insertion d'un système de stockage dans la chaîne wave-to-wire afin de lisser la puissance a aussi été considérée. Enfin, une partie du modèle a pu être validée à l'aide d'un banc de test Hardware-in-the-loop comprenant un banc moteur, des armoires de puissance pour émuler électronique de puissance et le réseau électrique et un module de supercondensateurs. / Power quality is an important issue for the development of marine renewable energies, in particular wave energy. Due to the oscillatory nature of the oceans waves, the wave energy converters output power profile can present fluctuations in the range of seconds. The impact of these devices on the electric grid therefore needs to be investigated for wave farms to be connected to the grid. In order to emulate an operating direct drive wave energy converter, study power quality improvement and test different control strategies, a wave-to-wiremodel has been developed.Simulations carried out with this model for different grid strengths and different levels of sea-state showed that it is necessary to foster solutions to improve power quality. Thus, the wave energy converters aggregating and dispersion effects on power quality have been investigated. As it does not seem sufficient to meet the grid codes requirements, another solution have been considered, consisting of the insertion of an energy storage system into the chain. Finally, a part of the model has been validated using a hardware-in-the-Loop test bench including a motorbench, power modules to emulate the grid and power electronic's control and super capacitors module.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante. / This work aims to study the nanowire tunneling field effect transistors (NW-TFET). The analyses were performed based on theoretical explanations, numerical simulations and experimental data. In order to improve the NW-TFET performance, it was used devices with different source compositions, such as Si, SiGe alloy and Ge, besides different thicknesses of HfO2 for the gate dielectric. With the aid of numerical simulations it was obtained the NW-TFET energy band diagrams and analyzed the influence of recombination and generation Shockley-Read-Hall (SRH) on the off current, the influence of the trap assisted tunneling (TAT) at low gate voltage bias (0,5V > VGS > 1,5V) and the direct band to band tunneling (BTBT) at higher gate voltage bias(VGS > 1,5V). The predominance of each conduction mechanisms was confirmed by the Arrhenius plot method, being this method adopted in all analysis in this work. The constant current with the temperature in the BTBT region has drawn attention and due to that, this work have studied the NW-TFET analog performance as function of temperature and also the influence of the source composition. The Ge source device shows an improved tunneling current, related to the bandgap narrowing, which leads to higher ION and transconductance. However, due to the strong BTBT dependence with the electric field, the use of Ge as source results in further ION/IOFF degradation. Despite this, the reduced HfO2 thickness in the gate dielectric, results in better electrostatic coupling, which also increases the tunneling current, making this device to present better analog performance when compared to devices with Si source. The use of different materials during the device fabrication leads to an increase of the interface defects. This work presented the influence of the interface trap density on the current, showing a direct relation with TAT and appearance of a plateau region in the IDS x VGS curves. In addition it was shown a strong temperature dependence increasing the current degradation at higher temperatures. Furthermore, the use of Ge has shown an increase of impurities in the oxide, and through the noise study it was observed the flicker noise increase at low frequency, which for TFETs, occurs due to the electrons trapping and detrapping in the oxide region. Once again, the reduced HfO2 thickness leads to better electrostatic coupling, resulting in noise reduction and becoming better when compared to a devices with Si source. In this work was proposed a low frequency noise model for a NW-TFET based on MOSFET models. Minor changes have been done, and thus a good agreement with the experimental results in the region where the BTBT is predominant conduction mechanism was obtained.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante. / This work aims to study the nanowire tunneling field effect transistors (NW-TFET). The analyses were performed based on theoretical explanations, numerical simulations and experimental data. In order to improve the NW-TFET performance, it was used devices with different source compositions, such as Si, SiGe alloy and Ge, besides different thicknesses of HfO2 for the gate dielectric. With the aid of numerical simulations it was obtained the NW-TFET energy band diagrams and analyzed the influence of recombination and generation Shockley-Read-Hall (SRH) on the off current, the influence of the trap assisted tunneling (TAT) at low gate voltage bias (0,5V > VGS > 1,5V) and the direct band to band tunneling (BTBT) at higher gate voltage bias(VGS > 1,5V). The predominance of each conduction mechanisms was confirmed by the Arrhenius plot method, being this method adopted in all analysis in this work. The constant current with the temperature in the BTBT region has drawn attention and due to that, this work have studied the NW-TFET analog performance as function of temperature and also the influence of the source composition. The Ge source device shows an improved tunneling current, related to the bandgap narrowing, which leads to higher ION and transconductance. However, due to the strong BTBT dependence with the electric field, the use of Ge as source results in further ION/IOFF degradation. Despite this, the reduced HfO2 thickness in the gate dielectric, results in better electrostatic coupling, which also increases the tunneling current, making this device to present better analog performance when compared to devices with Si source. The use of different materials during the device fabrication leads to an increase of the interface defects. This work presented the influence of the interface trap density on the current, showing a direct relation with TAT and appearance of a plateau region in the IDS x VGS curves. In addition it was shown a strong temperature dependence increasing the current degradation at higher temperatures. Furthermore, the use of Ge has shown an increase of impurities in the oxide, and through the noise study it was observed the flicker noise increase at low frequency, which for TFETs, occurs due to the electrons trapping and detrapping in the oxide region. Once again, the reduced HfO2 thickness leads to better electrostatic coupling, resulting in noise reduction and becoming better when compared to a devices with Si source. In this work was proposed a low frequency noise model for a NW-TFET based on MOSFET models. Minor changes have been done, and thus a good agreement with the experimental results in the region where the BTBT is predominant conduction mechanism was obtained.

Developments in measurement technology, communication and data storage have resulted in measurement systems that produce large amount of data. Together with the long existing need for characterizing the performance of the power system this has resulted in demand for automatic and efficient information-extraction methods. The objective of the research work presented in this thesis was therefore to develop new robust methods that extract additional information from voltage and current measurements in power systems. This work has contributed to two specific areas of interest.The first part of the work has been the development of a measurement method that gives information how voltage flicker propagates (with respect to a monitoring point) and how to trace a flicker source. As part of this work the quantity of flicker power has been defined and integrated in a perceptionally relevant measurement method. The method has been validated by theoretical analysis, by simulations, and by two field tests (at low-voltage and at 130-kV level) with results that matched the theory. The conclusion of this part of the work is that flicker power can be used for efficient tracing of a flicker source and to determine how flicker propagates.The second part of the work has been the development of a voltage disturbance classification system based on the statistical learning theory-based Support Vector Machine method. The classification system shows always high classification accuracy when training data and test data originate from the same source. High classification accuracy is also obtained when training data originate from one power network and test data from another. The classification system shows, however, lower performance when training data is synthetic and test data originate from real power networks. It was concluded that it is possible to develop a classification system based on the Support Vector Machine method with “global settings” that can be used at any location without the need to retrain. The conclusion is that the proposed classification system works well and shows sufficiently high classification accuracy when trained on data that originate from real disturbances. However, more research activities are needed in order to generate synthetic data that have statistical characteristics close enough to real disturbances to replace actual recordings as training data.

Submitted by Sandro Camargo (sandro.camargo@unipampa.edu.br) on 2015-05-09T22:33:43Z No. of bitstreams: 1 126110043.pdf: 2117805 bytes, checksum: f107c883cc20c40fff355188fc0e7df6 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-09T22:33:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 126110043.pdf: 2117805 bytes, checksum: f107c883cc20c40fff355188fc0e7df6 (MD5) Previous issue date: 2014-08-20 / Atualmente as técnicas não lineares de modulação de potência aplicadas ao aquecimento resistivo de água, principalmente em redes elétricas mal projetadas, podem gerar vários problemas no ambiente onde estão instaladas. É o caso dos chuveiros eletrônicos que, dependendo da técnica utilizada para executar o processo de modulação de potência, podem ocasionar efeitos indesejáveis na rede elétrica e ambiente. Um exemplo típico é o Controle por Ciclos Inteiros, foco deste trabalho, que apresenta baixa probabilidade de geração de harmônicas e interferência eletromagnética (IEM). Em contrapartida, é praticamente inevitável o surgimento de flicker na rede elétrica decorrente de sua utilização, principalmente devido às altas potências dos equipamentos de aquecimento resistivo, agravadas pelos longos intervalos entre condução e não condução de corrente. Considerando que a geração de flicker é a principal desvantagem proveniente do Controle por Ciclos Inteiros, o presente trabalho tem por objetivo propor outras técnicas a fim de atenuar este efeito indesejável e, ao mesmo tempo, possibilitar a utilização de vários níveis de potência. / Currently the non-linear power modulation techniques applied to resistive water heating, mainly on not properly designed electric installations, can generate various problems in the environment where they are present. This is the case of electronic showers that depending on the power modulation technique may result in undesirable effects in the power grid and environment. A typical example is the zero-crossing AC power control, focus of this work, which has low probability of generating harmonics and electromagnetic interference (EMI). On the other hand, it is almost inevitable the emergence of Flicker on the power grid resulting from its use, mainly due to high electrical power consumed by heating equipment, compounded by long conducting and non-conducting power intervals. Whereas the flicker generated is the main drawback from the zero-crossing power control, this work aims to propose other techniques to reduce this undesirable effect allowing several output power levels.

Low-frequency noise (LFN) is characterized using in-house measurement systems in a variety of SiGe HBT generations. As technology scales to improve the performance and integration level, a large low-frequency noise variation in small geometry SiGe HBTs is first observed in 90 GHz peak fT devices. The fundamental mechanism of this geometry dependent noise variation is thought to be the superposition of individual Lorentzian spectra due to the presence of G/R centers in the device. The observed noise variation is the result of a trap quantization effect, and is thus best described by number fluctuation theory rather than mobility fluctuation theory. This noise variation continues to be observed in 120 GHz and 210 GHz peak fT SiGe HBT BiCMOS technology. Interestingly, the noise variation in the 210 GHz technology generation shows anomalous scaling behavior below about 0.2-0.3um2 emitter geometry, where the noise variation rapidly decreases. Data shows that the collector current noise is no longer masked by the base current noise as it is in other technology generations, and becomes the dominant noise source in these tiny 210 GHz fT SiGe HBTs. The proton response of LFN in SiGe HBTs is also investigated in this thesis. The results show that the relative increase of LFN is minor in transistors with small emitter areas, but significant in transistors with large emitter areas after radiation. A noise degradation model is proposed to explain this observed geometry dependent LFN degradation. A 2-D LFN simulation is applied to SiGe HBTs for the first time in order to shed light on the physical mechanisms responsible for LFN. A spatial distribution of base current noise and collector current noise reveals the relevant importance of the physical locations of noise sources. The impact of LFN in SiGe HBTs on circuits is also examined. The impact of LFN variation on phase noise is demonstrated, showing VCOs with small geometry devices have relatively large phase noise variation across samples.

Esta tese de doutorado trata de dois desafios que projetistas de circuitos integrados analógicos enfrentam quando estimando a confiabilidade de transistores fabricados em modernos processos CMOS: radiação e ruído flicker. Em relação a radiação, o foco desde trabalho é a Dose Total Ionizante (TID): acumulação de dose ionizante (elétrons e prótons) durante um longo período de tempo nas camadas isolantes dos dispositivos, então resultando na degradação dos parâmetros elétricos (por exemplo, a tensão de limiar e as correntes de fuga). Este trabalho apresenta um caso de estudo composto por circuitos referência tensões de baseados na tensão de bandgap e na tensão de limiar dos transistores. Esses circuitos foram fabricados em uma tecnologia comercial CMOS de 130 nm. Um chip contendo os circuitos foi irradiado usando raio gama de uma fonte de cobalto (60 Co), e o impacto dos efeitos da radiação até uma dose de 490 krad nas tensões de saída é apresentado. Foi verificado que o impacto da radiação foi similar ou até mesmo mais severo que os efeitos causados pelo processo de fabricação para a maior parte dos circuitos projetados. Para as referências baseadas na tensão de bandgap implementadas com transistores de óxido fino e grosso, a variação na tensão de saída causada pela radiação foi de 5.5% e 15%, respectivamente. Para as referências baseadas na tensão de limiar, a variação da tensão de saída foi de 2% a 15% dependendo da topologia do circuito. Em relação ao ruído, o foco desta tese é no ruído flicker do transitor MOS quando este está em operação ciclo-estacionária. Nesta condição, a tensão no terminal da porta está constantemente variando durante a operação e o ruído flicker se torna uma função da tensão porta-fonte e não é precisamente estimado pelos tradicionais modelos de ruído flicker dos transistores MOS. Esta tese apresenta um caso de estudo composto por osciladores de tensão (topologia baseada em anel e no tanque LC) projetados em processos 45 e 130 nm. A frequência de oscilação e sua dependência em relação à polarização do substrato dos transistores foi investigada. Considerando o oscilador em anel, a média da variação da frequência de oscilação causada pela variação da tensão de alimentação e da polarização do substrato foi 495 kHz/mV e 81 kHz/mV, respectivamente. A média da frequência de oscilação é de 103,4 MHz e a média do jitter medido para 4 amostras é de 7.6 ps. Para o tanque LC, a frequência de oscilação medida é de 2,419 GHz e sua variação considerando 1 V de variação na tensão de substrato foi de aproximadamente 0,4 %. / This thesis is focused on two challenges faced by analog integrated circuit designers when predicting the reliability of transistors implemented in modern CMOS processes: radiation and noise. Regarding radiation, the concern of this work is the Total Ionizing Dose (TID): accumulation of ionizing dose deposited (electrons and protons) over a long time in insulators leading to degradation of electrical parameters of transistors (e.g. threshold voltage and leakage). This work presents a case-study composed by bandgap-based and threshold voltagebased voltage reference circuits implemented in a commercial 130 nm CMOS process. A chip containing the designed circuits was irradiated through γ-ray Cobalt source (60 Co) and the impact of TID effects up to 490 krad on the output voltages is presented. It was found that the impact of radiation on the output voltage accuracy was similar or more severe than the variation caused by the process variability for most of the case-study circuits. For the bandgap-based reference implemented using thin-oxide and thick-oxide transistors, TID effects result in a variation of the output voltage of 5.5 % and 12%, respectively. For the threshold voltage references, the output variation was between 2% and 15% depending on the circuit topology. Regarding noise, the concern of this work is the transistor flicker noise under cyclostationary operation, that is, when the voltage at transistor gate terminal is constantly varying over time. Under these conditions, the flicker noise becomes a function of VGS; and its is not accurately predicted by traditional transistor flicker noise models. This thesis presents a case-study composed by voltage oscillators (inverter-based ring and LC-tank topologies) implemented in 45 and 130 nm CMOS processes. The oscillation frequency and its dependency on the bulk bias were investigated. Considering the ring-oscillator, the average oscillation frequency variation caused by supply voltage and bulk bias variation are 495 kHz/mV and 81 kHz/mV, respectively. The average oscillation frequency is 103.4 MHz for a supply voltage of 700 mV, and the measured averaged period jitter for 4 measured samples is 7.6 ps. For the LC-tank, the measured oscillation frequency was 2.419 GHz and the total frequency variation considering 1 V of bulk bias voltage was only ~ 0.4 %.

Esta tese de doutorado trata de dois desafios que projetistas de circuitos integrados analógicos enfrentam quando estimando a confiabilidade de transistores fabricados em modernos processos CMOS: radiação e ruído flicker. Em relação a radiação, o foco desde trabalho é a Dose Total Ionizante (TID): acumulação de dose ionizante (elétrons e prótons) durante um longo período de tempo nas camadas isolantes dos dispositivos, então resultando na degradação dos parâmetros elétricos (por exemplo, a tensão de limiar e as correntes de fuga). Este trabalho apresenta um caso de estudo composto por circuitos referência tensões de baseados na tensão de bandgap e na tensão de limiar dos transistores. Esses circuitos foram fabricados em uma tecnologia comercial CMOS de 130 nm. Um chip contendo os circuitos foi irradiado usando raio gama de uma fonte de cobalto (60 Co), e o impacto dos efeitos da radiação até uma dose de 490 krad nas tensões de saída é apresentado. Foi verificado que o impacto da radiação foi similar ou até mesmo mais severo que os efeitos causados pelo processo de fabricação para a maior parte dos circuitos projetados. Para as referências baseadas na tensão de bandgap implementadas com transistores de óxido fino e grosso, a variação na tensão de saída causada pela radiação foi de 5.5% e 15%, respectivamente. Para as referências baseadas na tensão de limiar, a variação da tensão de saída foi de 2% a 15% dependendo da topologia do circuito. Em relação ao ruído, o foco desta tese é no ruído flicker do transitor MOS quando este está em operação ciclo-estacionária. Nesta condição, a tensão no terminal da porta está constantemente variando durante a operação e o ruído flicker se torna uma função da tensão porta-fonte e não é precisamente estimado pelos tradicionais modelos de ruído flicker dos transistores MOS. Esta tese apresenta um caso de estudo composto por osciladores de tensão (topologia baseada em anel e no tanque LC) projetados em processos 45 e 130 nm. A frequência de oscilação e sua dependência em relação à polarização do substrato dos transistores foi investigada. Considerando o oscilador em anel, a média da variação da frequência de oscilação causada pela variação da tensão de alimentação e da polarização do substrato foi 495 kHz/mV e 81 kHz/mV, respectivamente. A média da frequência de oscilação é de 103,4 MHz e a média do jitter medido para 4 amostras é de 7.6 ps. Para o tanque LC, a frequência de oscilação medida é de 2,419 GHz e sua variação considerando 1 V de variação na tensão de substrato foi de aproximadamente 0,4 %. / This thesis is focused on two challenges faced by analog integrated circuit designers when predicting the reliability of transistors implemented in modern CMOS processes: radiation and noise. Regarding radiation, the concern of this work is the Total Ionizing Dose (TID): accumulation of ionizing dose deposited (electrons and protons) over a long time in insulators leading to degradation of electrical parameters of transistors (e.g. threshold voltage and leakage). This work presents a case-study composed by bandgap-based and threshold voltagebased voltage reference circuits implemented in a commercial 130 nm CMOS process. A chip containing the designed circuits was irradiated through γ-ray Cobalt source (60 Co) and the impact of TID effects up to 490 krad on the output voltages is presented. It was found that the impact of radiation on the output voltage accuracy was similar or more severe than the variation caused by the process variability for most of the case-study circuits. For the bandgap-based reference implemented using thin-oxide and thick-oxide transistors, TID effects result in a variation of the output voltage of 5.5 % and 12%, respectively. For the threshold voltage references, the output variation was between 2% and 15% depending on the circuit topology. Regarding noise, the concern of this work is the transistor flicker noise under cyclostationary operation, that is, when the voltage at transistor gate terminal is constantly varying over time. Under these conditions, the flicker noise becomes a function of VGS; and its is not accurately predicted by traditional transistor flicker noise models. This thesis presents a case-study composed by voltage oscillators (inverter-based ring and LC-tank topologies) implemented in 45 and 130 nm CMOS processes. The oscillation frequency and its dependency on the bulk bias were investigated. Considering the ring-oscillator, the average oscillation frequency variation caused by supply voltage and bulk bias variation are 495 kHz/mV and 81 kHz/mV, respectively. The average oscillation frequency is 103.4 MHz for a supply voltage of 700 mV, and the measured averaged period jitter for 4 measured samples is 7.6 ps. For the LC-tank, the measured oscillation frequency was 2.419 GHz and the total frequency variation considering 1 V of bulk bias voltage was only ~ 0.4 %.

Esta tese de doutorado trata de dois desafios que projetistas de circuitos integrados analógicos enfrentam quando estimando a confiabilidade de transistores fabricados em modernos processos CMOS: radiação e ruído flicker. Em relação a radiação, o foco desde trabalho é a Dose Total Ionizante (TID): acumulação de dose ionizante (elétrons e prótons) durante um longo período de tempo nas camadas isolantes dos dispositivos, então resultando na degradação dos parâmetros elétricos (por exemplo, a tensão de limiar e as correntes de fuga). Este trabalho apresenta um caso de estudo composto por circuitos referência tensões de baseados na tensão de bandgap e na tensão de limiar dos transistores. Esses circuitos foram fabricados em uma tecnologia comercial CMOS de 130 nm. Um chip contendo os circuitos foi irradiado usando raio gama de uma fonte de cobalto (60 Co), e o impacto dos efeitos da radiação até uma dose de 490 krad nas tensões de saída é apresentado. Foi verificado que o impacto da radiação foi similar ou até mesmo mais severo que os efeitos causados pelo processo de fabricação para a maior parte dos circuitos projetados. Para as referências baseadas na tensão de bandgap implementadas com transistores de óxido fino e grosso, a variação na tensão de saída causada pela radiação foi de 5.5% e 15%, respectivamente. Para as referências baseadas na tensão de limiar, a variação da tensão de saída foi de 2% a 15% dependendo da topologia do circuito. Em relação ao ruído, o foco desta tese é no ruído flicker do transitor MOS quando este está em operação ciclo-estacionária. Nesta condição, a tensão no terminal da porta está constantemente variando durante a operação e o ruído flicker se torna uma função da tensão porta-fonte e não é precisamente estimado pelos tradicionais modelos de ruído flicker dos transistores MOS. Esta tese apresenta um caso de estudo composto por osciladores de tensão (topologia baseada em anel e no tanque LC) projetados em processos 45 e 130 nm. A frequência de oscilação e sua dependência em relação à polarização do substrato dos transistores foi investigada. Considerando o oscilador em anel, a média da variação da frequência de oscilação causada pela variação da tensão de alimentação e da polarização do substrato foi 495 kHz/mV e 81 kHz/mV, respectivamente. A média da frequência de oscilação é de 103,4 MHz e a média do jitter medido para 4 amostras é de 7.6 ps. Para o tanque LC, a frequência de oscilação medida é de 2,419 GHz e sua variação considerando 1 V de variação na tensão de substrato foi de aproximadamente 0,4 %. / This thesis is focused on two challenges faced by analog integrated circuit designers when predicting the reliability of transistors implemented in modern CMOS processes: radiation and noise. Regarding radiation, the concern of this work is the Total Ionizing Dose (TID): accumulation of ionizing dose deposited (electrons and protons) over a long time in insulators leading to degradation of electrical parameters of transistors (e.g. threshold voltage and leakage). This work presents a case-study composed by bandgap-based and threshold voltagebased voltage reference circuits implemented in a commercial 130 nm CMOS process. A chip containing the designed circuits was irradiated through γ-ray Cobalt source (60 Co) and the impact of TID effects up to 490 krad on the output voltages is presented. It was found that the impact of radiation on the output voltage accuracy was similar or more severe than the variation caused by the process variability for most of the case-study circuits. For the bandgap-based reference implemented using thin-oxide and thick-oxide transistors, TID effects result in a variation of the output voltage of 5.5 % and 12%, respectively. For the threshold voltage references, the output variation was between 2% and 15% depending on the circuit topology. Regarding noise, the concern of this work is the transistor flicker noise under cyclostationary operation, that is, when the voltage at transistor gate terminal is constantly varying over time. Under these conditions, the flicker noise becomes a function of VGS; and its is not accurately predicted by traditional transistor flicker noise models. This thesis presents a case-study composed by voltage oscillators (inverter-based ring and LC-tank topologies) implemented in 45 and 130 nm CMOS processes. The oscillation frequency and its dependency on the bulk bias were investigated. Considering the ring-oscillator, the average oscillation frequency variation caused by supply voltage and bulk bias variation are 495 kHz/mV and 81 kHz/mV, respectively. The average oscillation frequency is 103.4 MHz for a supply voltage of 700 mV, and the measured averaged period jitter for 4 measured samples is 7.6 ps. For the LC-tank, the measured oscillation frequency was 2.419 GHz and the total frequency variation considering 1 V of bulk bias voltage was only ~ 0.4 %.

Age related macular degeneration (AMD) is one of the leading causes of blindness amongst the elderly. Macular pigment (MP) in the retina has been established to protect individuals against AMD. Improving levels of MP by diet or supplements is the constant quest of clinical practitioners and researchers, thus necessitating development of instruments capable of repeatable and reliable MP measurement. Cataract, a consequence of the rising opacity levels of the lens with age is one of the other major causes of blindness in the world. Mapcatsf, a LED-based microprocessor-controlled heterochromatic flicker photometer (HFP) using photopic vision is capable of measuring the levels of MP and the opacity of the lens in terms of optical density. Test-retest measurements conducted on 83 subjects were analyzed for repeatability in macular pigment optical density (MPOD) measurements. Reliability of the lens optical density (LOD) measurements were tested and compared with those obtained at absolute scotopic thresholds for 25 individuals. A supplement study with 32 individuals both in the young (50) age groups for 6 months further established Mapcatsf’s capacity to monitor changing levels of MP in individuals. As an overall outcome, high levels of repeatability and reliability were obtained in MPOD and LOD measurements establishing Mapcatsf as an instrument for use in clinical settings in the future.